eines Flux-Gate-Magnetometers 1 Aufbau und Anwendung eines Flux-Gate-Magnetometers für die Schule Univ. Prof. Dr. H. Krenn Institut für Experimentalphysik Univ. Graz Mag. rer. nat. Wolfgang Grabmer Pädagogisches Institut des Bundes in der Steiermark Abteilung für Lehrer an allgemeinbildenden höheren Schulen 20. Nov. 2002

„Methoden der schmalbandigen Verstärkung für den Diese Bilderserie wurde aus einer Physik-Lehramtsdiplomarbeit „Methoden der schmalbandigen Verstärkung für den Aufbau eines empfindlichen Magnetometers im Schulversuch“ verfaßt von Mag. rer. nat. Wolfgang GRABMER, Johannes Kepler Universität Linz, 1996 entnommen. Artikel erschienen in PLUS LUCIS für die Praxis 2, 21-22 (1997).

Hx 2 Detektorprinzip: Unbekanntes Magnetfeld Vormagnetisierung  Kernsättigungs-Magnetometer („Förstersonde“) Ferromagnetischer Kern mit Hysterese Engl.: Flux-Gate-Magnetometer Unbekanntes Magnetfeld Hx  Vormagnetisierung Phasenempfindlicher Gleichrichter Phasenempfindlicher Gleichrichter: Zeit Gleichspannungsanzeige

3 Magnetische Hysterese des Sondenkernmaterials (Co,Fe)70(Mo,Si,B)30 - Folie einer amorphen magnetischen Metall-Legierung (Verwendung in Ringbandkernen) 0,24 -0,24 0,6 -0,6 Induktionsflußdichte (Tesla) -40 -20 +20 +40 Magnetische Feldstärke (mA/cm)

Amorphe magnetische Legierungen Werden durch rasches Abkühlen aus der Schmelze erzeugt, um kristallines Erstarren zu vermeiden. Herstellung von Folien für Ringbandkerne

4 Vormagnetisierung des Sondenkernmaterials 3 2 4 1 5 6 7 7 4 6 5 3 2 -40 -20 +20 +40 Magnetische Feldstärke (mA/cm) 0,24 -0,24 0,6 -0,6 Induktionsflußdichte (Tesla) Zeit Zeit 1 5 6 7 7 4 Dreieckförmiger Wechselstrom 6 5 3 1 kHz 2 1 Sondenkern

5 Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes Hx Hx Induktion im Sondenkern Dreieckförmiger Wechselstrom 1 kHz Sondenkern Hx Induktion im Sondenkern -40 -20 +20 +40 Magnetische Feldstärke (mA/cm) 0,24 -0,24 0,6 -0,6 Induktionsflußdichte (Tesla) Zeit Zeit Vormagnetisierungsstrom (1 kHz) Hx

6 Induktion für positives und negatives Magnetfeld +Hx -Hx +Hx -Hx Dreieckförmiger Wechselstrom 1 kHz Sondenkern +Hx -Hx Induktion im Sondenkern -40 -20 +20 +40 Magnetische Feldstärke (mA/cm) 0,24 -0,24 0,6 -0,6 Induktionsflußdichte (Tesla) Zeit +Hx -Hx Vormagnetisierungsstrom (1 kHz)

7 Induktionsspannung an der Sensorspule -Hx +Hx U Induktionsfluß Dreieckförmiger Wechselstrom 1 kHz +Hx -Hx Induktionsfluß F Induktionsspannung U U = -N· dF dt Hx = 0

8 Phasenempfindliche Gleichrichtung (schematisch) Signal-Mittelwert = a) Verschwindendes Magnetfeld (Hx = 0) U aus ein Chopper Signal-Mittelwert = Null b) Positives Magnetfeld Hx > 0 c) Negatives Magnetfeld Hx < 0 aus ein aus ein U U Signalspannung < 0 Signalspannung > 0

- 9 Phasenempfindliche Gleichrichtung + a) b) - + (elektronische Realisierung) + - a) Chopper “ein” Diodenbrücke durchlässig U b) Chopper “aus” - + Diodenbrücke gesperrt U U = 0

Stromquelle (Integrator) 10 Elektronisches Schaltbild des Magnetometers Teiler 2:1 (Toggle-Flip-Flop) 1 kHz 2 kHz Astabiler Multivibrator Vormagnetisierungs- Stromquelle (Integrator) 1 kHz Dreiecksstrom Vormagnetisierungsspule Sensor- spule Externes Magnetfeld Hx Gleichspannungsanzeige Mittelwertbildner Phasenempfindlicher Gleichrichter

Elektronisches Schaltbild des Schul-Magnetometers

Bauteile-Stückliste

Platinen-Layout

11 Empfindlichkeit und Meßbereich des Magnetometers

12 Die Skala technischer und biologischer Magnetfelder Erdmagnetfeld Schulversuchs- Magnetometer

13 Messung des Inklinationswinkels des Erdmagnetfeldes mit dem Stabsensor Stabsensor Inklinationswinkel

14 Beschreiben und Lesen von Magnetkarten Beschreiben N S Lesen